美國(guó)海軍艦載相控陣技術(shù)發(fā)展綜述

吳小強(qiáng)

(海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)

美國(guó)海軍艦載相控陣技術(shù)發(fā)展綜述

吳小強(qiáng)

(海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)

綜述并研究了美國(guó)海軍在艦載相控陣技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),與艦載雷達(dá)功能相關(guān)的寬帶有源電掃描相控陣技術(shù)的發(fā)展歷程。從美國(guó)海軍在寬帶有源相控陣技術(shù)方面的大力投入及發(fā)展路線圖來(lái)看,在寬帶相控陣天線以及GaN等寬帶大功率固態(tài)器件以及開(kāi)放式通用信號(hào)處理架構(gòu)的技術(shù)推動(dòng)下,增加無(wú)源探測(cè)、協(xié)同探測(cè)和電子干擾能力已成為艦載相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。

寬帶有源相控陣; 先進(jìn)多功能射頻; 綜合桅桿; 協(xié)同探測(cè)

0 引 言

上世紀(jì)七八十年代起,為滿足美國(guó)海軍對(duì)艦載系統(tǒng)的功能、運(yùn)行和互操作能力不斷提高的要求,艦上的電子設(shè)備(雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)設(shè)備等)的數(shù)量持續(xù)增加,從而導(dǎo)致艦艇甲板天線數(shù)目劇增。據(jù)美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)的數(shù)據(jù),90年代各類(lèi)大中型艦艇上的天線數(shù)量基本上是80年代的2倍,其結(jié)果帶來(lái)了電磁兼容、隱身、成本、維護(hù)等方面的一系列問(wèn)題[1]。

在作戰(zhàn)需求層面上,隨著海上及空中反艦導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈以及各種攻擊型新型飛行器的快速發(fā)展,對(duì)艦載雷達(dá)預(yù)警探測(cè)提出的要求越來(lái)越高。對(duì)美國(guó)海軍而言,隨著其全球化戰(zhàn)略的推進(jìn)演變,對(duì)瀕海作戰(zhàn)也提出了更高的要求。

在電子技術(shù)和信息技術(shù)的層面上,隨著GaAs、GaN、SiC等固態(tài)大功率器件的不斷發(fā)展,其工作帶寬越來(lái)越寬,功率越來(lái)越大,成本及價(jià)格越來(lái)越低,極大地推動(dòng)了固態(tài)寬帶有源相控陣技術(shù)的發(fā)展。FPGA等高速高性能信號(hào)處理芯片以及商用貨架(Cots)技術(shù)的飛速發(fā)展,為寬帶數(shù)字多波束技術(shù)、高性能綜合信號(hào)處理技術(shù)、系統(tǒng)資源調(diào)度以及共享硬件資源的多功能、多任務(wù)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

上述若干因素為艦載相控陣技術(shù)特別是艦載相控陣?yán)走_(dá)功能的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。本文旨在通過(guò)對(duì)美國(guó)海軍近年來(lái)在艦載相控陣技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r的探討,為研究分析艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)提供參考。

1 典型裝備現(xiàn)狀

1.1 雙波段雷達(dá)(DBR)

雙波段雷達(dá)(DBR)由兩部雷達(dá)組成[2]：一部工作于X波段的AN/SPY-3型多功能雷達(dá)(MFR)和一部工作于S波段的AN/SPY-4型立體搜索雷達(dá)(VSR)。兩部雷達(dá)均采用有源固態(tài)相控陣體制,每個(gè)波段3個(gè)陣面,其中AN/SPY-3每個(gè)陣面為5312個(gè)單元。

AN/SPY-3雷達(dá)的主要工作模式是掃描時(shí)的水平線搜索/跟蹤、水面搜索/導(dǎo)航、潛望鏡檢測(cè)和辨別以及環(huán)境繪圖。在交戰(zhàn)期間,AN/SPY-3雷達(dá)還執(zhí)行目標(biāo)精確跟蹤、己方導(dǎo)彈跟蹤/制導(dǎo)、導(dǎo)彈通信和目標(biāo)照射。VSR主要工作模式是連續(xù)的立體搜索、精確跟蹤和環(huán)境繪圖。在資源管理器的指令下,幾個(gè)模式能夠被不同波段執(zhí)行,如有限區(qū)域的立體搜索、精確跟蹤或目標(biāo)截獲。其作戰(zhàn)模式如圖1所示。

DBR同時(shí)工作于兩個(gè)電磁頻段(X和S頻段),首次實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)資源管理器協(xié)調(diào)兩個(gè)頻率的操作。DBR具備無(wú)源搜索和跟蹤能力,在該種模式下工作時(shí)無(wú)電磁輻射,紅外輻射也很低,具有很好的隱蔽作戰(zhàn)能力。DBR在波形級(jí)對(duì)每一部雷達(dá)進(jìn)行控制,可以對(duì)兩個(gè)頻段進(jìn)行綜合優(yōu)化利用,使雷達(dá)時(shí)間線的使用達(dá)到最大化,雷達(dá)可以根據(jù)需要增加搜索和跟蹤重訪率,從而改善航跡相關(guān)處理能力,提供精確的威脅跟蹤,并減小對(duì)電子攻擊的敏感性。

圖1 雙波段雷達(dá)DBR的作戰(zhàn)模式

DBR主要裝備美國(guó)海軍DDG-1000型“朱姆瓦爾特”級(jí)驅(qū)逐艦和CVN-78型“福特”級(jí)航母。其在DDG-1000驅(qū)逐艦和CVN-78航母上安裝示意圖見(jiàn)圖2[3]。

1.2 空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDR)

空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDR)是由雷聲公司為美國(guó)海軍FlightⅢ阿利·伯克級(jí)驅(qū)逐艦(DDG-51)開(kāi)發(fā)的,包括1部S波段雷達(dá)(AMDR-S)、1部X波段雷達(dá)(AMDR-X)和1部雷達(dá)套件控制器(RSC)[4-5]。AMDR將為阿利·伯克級(jí)驅(qū)逐艦增加檢測(cè)范圍和識(shí)別準(zhǔn)確度。圖3給出了AMDR的概念示意圖。

圖2 雙波段雷達(dá)DBR在DDG-1000驅(qū)逐艦和CVN-78航母上安裝示意圖

圖3 DDG51 FlightIII上AMDR概念示意圖

空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDR)將彌補(bǔ)海上空中及導(dǎo)彈防御聯(lián)合部隊(duì)(MAMDJF)初始能力文件中確定的能力差距,提供了下一代綜合空海防御能力(IAMD)以應(yīng)對(duì)空中及彈道導(dǎo)彈威脅的并發(fā)襲擊。

據(jù)美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部項(xiàng)目執(zhí)行辦公室綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)(PEO IWS)官員在水面海軍協(xié)會(huì)2014年研討會(huì)上介紹,未來(lái)的AMDR可能要增加電子攻擊能力,該功能可能使用基于大功率GaN的有源電子掃描陣列(AESA)來(lái)執(zhí)行完成。類(lèi)似的功能已經(jīng)在機(jī)載AESA雷達(dá)上實(shí)現(xiàn),如安裝在洛克希德·馬丁公司的F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)上的諾斯羅普·格魯門(mén)公司的AN/APG-77多功能雷達(dá)已經(jīng)具備電子攻擊能力。在未來(lái),洛克希德的F-35和波音公司F/A-18E/F和EA-18G也將獲得諾斯羅普AN/APG-81和雷聲AN/APG-79雷達(dá)類(lèi)似的功能。

1.3 先進(jìn)的多功能射頻概念(AMRFC)

先進(jìn)的多功能射頻概念(AMRFC)是針對(duì)上世紀(jì)90年代以來(lái)艦艇電子設(shè)備持續(xù)增加、甲板天線數(shù)量劇增所帶來(lái)的電磁兼容、隱身、成本、維護(hù)等方面的一系列問(wèn)題。為解決這一難題,美國(guó)海軍及相關(guān)工業(yè)部門(mén)提出了在寬帶有源相控陣體制上實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多功能、多任務(wù)綜合一體化設(shè)計(jì)的概念[6-8]。AMRFC的功能示意圖如圖4所示。

1997年,由美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)發(fā)起,在佛羅里達(dá)州召開(kāi)了一次寬頻帶射頻科技研討會(huì)。會(huì)上,工業(yè)界與會(huì)者就寬頻段技術(shù)在多功能射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用、寬頻帶雷達(dá)系統(tǒng)、寬頻帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)、寬頻帶通信系統(tǒng)以及支撐多功能射頻系統(tǒng)未來(lái)應(yīng)用的光電技術(shù)等進(jìn)行了廣泛、深入的討論。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)始了AMRFC計(jì)劃。該計(jì)劃由ONR資助,海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)牽頭實(shí)施,主要合同商包括洛克希德·馬丁公司(Lockheed-Martin)、諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman)、雷聲公司(Raytheon)和通用動(dòng)力公司(General Dynamics)等。

圖4 AMRFC系統(tǒng)工作示意圖

AMRFC的目的是演示把雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信等多種艦載功能在一組共用的天線陣、信號(hào)處理和顯示設(shè)備上進(jìn)行綜合的能力。為了演示這種新概念的可行性,2004年美國(guó)海軍研制出一種AMRFC測(cè)試床(Test Bed),以驗(yàn)證以上列出的AMRFC計(jì)劃和目標(biāo)。AMRFC測(cè)試床選擇了6～18 GHz這一關(guān)鍵超寬帶頻段,并采用寬帶有源相控陣體制,使用獨(dú)立的接收陣和發(fā)射陣,在共用6～18 GHz綜合射頻孔徑、波形發(fā)生與發(fā)射、核心系統(tǒng)軟件、綜合射頻軟件等條件下,完成了對(duì)通信、電子戰(zhàn)和雷達(dá)功能的演示和驗(yàn)證。

1.4 綜合桅桿技術(shù)(InTop)

“綜合桅桿”(InTop)技術(shù)是繼AMRFC項(xiàng)目實(shí)施之后,美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)創(chuàng)立的另一項(xiàng)極具創(chuàng)新性的海上項(xiàng)目,其目的是為了發(fā)展一套具備電子戰(zhàn)(EW)、信息作戰(zhàn)(IO)、雷達(dá)以及通信功能,并能持續(xù)動(dòng)態(tài)升級(jí),以適應(yīng)海軍各級(jí)艦船及潛艇的綜合一體化多功能系統(tǒng)。InTop將具有開(kāi)放式、模塊化和可縮放三大特點(diǎn),可以無(wú)縫集成到新平臺(tái)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)中,且可以根據(jù)未來(lái)新的作戰(zhàn)要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)升級(jí)。InTop系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向?yàn)樾略炫炌?但也適用于集成或替換老式平臺(tái)上的現(xiàn)有系統(tǒng)[9]。

InTop項(xiàng)目的主要目標(biāo)有：

(1) 開(kāi)發(fā)、集成和演示驗(yàn)證多種新型孔徑和分系統(tǒng),采用模塊化、可縮放的開(kāi)放式體系架構(gòu),支持多功能射頻任務(wù)；

(2) 通過(guò)共享資源的分配管理(RAM),演示驗(yàn)證多個(gè)艦載射頻功能應(yīng)用的集成和協(xié)調(diào)控制,優(yōu)化射頻頻譜設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)；

(3) 與美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)合作,開(kāi)展艦船創(chuàng)新設(shè)計(jì),采用InTop一體化傳感器/通信系統(tǒng),優(yōu)化艦船的尺寸設(shè)計(jì)和性能。

圖5示出了InTop的概念原型。

圖5 綜合桅桿(InTop)的概念原型

2011～2013三個(gè)財(cái)年,美國(guó)海軍計(jì)劃共投資約1.5億美元用于InTop項(xiàng)目的研究,主要的研究?jī)?nèi)容包括：

a. 開(kāi)發(fā)支持潛艇電子戰(zhàn)能力的寬帶衛(wèi)星通信陣列天線；

b. 開(kāi)發(fā)用于支持水面艦艇的電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)通信的寬帶陣列天線；

c. 開(kāi)發(fā)面向?qū)掝l帶、多波束、多波段陣列的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和器件；

d. 開(kāi)發(fā)支持其他射頻功能的寬頻帶水面艦艇通信陣列；

e. 開(kāi)發(fā)企業(yè)級(jí)通用資源分配管理器；

f. 開(kāi)發(fā)全數(shù)字陣列雷達(dá)以演示相參雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化和控制的先進(jìn)概念。

1.5 TRS-4D的有源相控陣技術(shù)

2013年底,F125級(jí)護(hù)衛(wèi)艦TRS-4D海上雷達(dá)在北海和波羅的海通過(guò)工廠驗(yàn)收測(cè)試[10]。這種雷達(dá)將配備在德國(guó)海軍F125級(jí)護(hù)衛(wèi)艦。與傳統(tǒng)雷達(dá)相比,TRS-4D雷達(dá)采用基于氮化嫁(GaN)的有源相控陣(AESA)技術(shù),處理精度更高、速度更快、目標(biāo)范圍更廣,可有效應(yīng)對(duì)不對(duì)稱(chēng)威脅。在測(cè)試中,TRS-4D展示了極高的探測(cè)精度,特別是針對(duì)無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈和潛望鏡等小型目標(biāo)。2014年,首套雷達(dá)系統(tǒng)將安裝于首艦“巴登·符騰堡”號(hào)上。TRS-4D采用有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù),可安裝在中小型水面艦艇上,F-125型上裝有4面固定陣面,利用電子控制波束。

2 發(fā)展趨勢(shì)

本文綜合介紹了美國(guó)海軍主導(dǎo)發(fā)展的幾個(gè)主要項(xiàng)目,面向DDG-1000型驅(qū)逐艦和CVN-78型福特級(jí)航母的雙波段雷達(dá)、Flight Ⅲ的阿利·伯克級(jí)驅(qū)逐艦的空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)、多功能綜合射頻概念以及綜合桅桿技術(shù)。通過(guò)對(duì)美國(guó)海軍近十幾年來(lái)在艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)方面提出的主要概念、重點(diǎn)投入發(fā)展的主要項(xiàng)目及路線圖可以看出以下幾個(gè)趨勢(shì)[11]：

(1) 采用固態(tài)有源相控陣體制已成為未來(lái)艦載雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),適應(yīng)了多功能、多任務(wù)、平面化、隱身等發(fā)展需求。

(2) 將低波段和高波段等不同波段的多部雷達(dá)或陣面進(jìn)行綜合調(diào)度管理,也是未來(lái)艦載雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),可以進(jìn)一步合理使用全艦雷達(dá)資源并提升全艦雷達(dá)對(duì)威脅目標(biāo)的綜合探測(cè)能力。

(3) 采用寬帶固態(tài)有源相控陣體制的雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等多種電子設(shè)備將推動(dòng)全艦平面化綜合桅桿的設(shè)計(jì)與發(fā)展,如何更合理地使用好全艦相控陣陣面資源并提升全艦包括雷達(dá)功能在內(nèi)的電子戰(zhàn)及通信的綜合作戰(zhàn)能力,是需要進(jìn)一步研究的課題。

(4) 隨著GaN等寬帶固態(tài)有源器件和超寬帶相控陣天線的飛速發(fā)展,以及雷達(dá)、電子干擾等多功能在F-22等機(jī)載寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備上成功應(yīng)用,將雷達(dá)功能和電子干擾功能相結(jié)合已成為未來(lái)艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。寬帶固態(tài)有源相控陣技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì),可以綜合解決艦艇平臺(tái)上天線林立、電磁兼容、操作維護(hù)、隱身、多功能、多任務(wù)等一系列問(wèn)題,是未來(lái)艦艇電子裝備的重要發(fā)展方向。

(5) 基于相控陣射頻資源的協(xié)同探測(cè)技術(shù)。基于相控陣射頻資源實(shí)現(xiàn)海上編隊(duì)傳感器跨平臺(tái)協(xié)同探測(cè),提升“四抗”能力,為協(xié)同作戰(zhàn)提供目標(biāo)信息支撐,是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)[12]。

[1] William J Fontana, Karl H Krueger. AN/SPY-3: The Navy’s Next-generation Force Protection Radar System [C]. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003, 594-603.

[2] Alan L Tolley, John E Ball. Dual-band Radar Development: From Engineering Design to Production [J]. Leading Edge, 2010, 7(2): 52-61.

[3] Ronald O’Rourke. Navy DDG-51 and DDG-1000 Destroyer Programs: Background and issues for Congress [R].US Congressional Research Service, 2012.2:19-23.

[4] RDML Jim Syring. Balancing Capability and Cvapacity[C]. ASNE Combat Systems Symposium, 2012.3.

[5] Raytheon Company. AMDR: Raytheon Wins EMD Competition for the USA’s Next Dual-Band Radar, 1-12-2014.

[6] Dave Majumdar, Sam LaGrone. Navy’s Next Generation Radar Could Have Future Electronic Attack Abilities, USNI,1-17-2014.

[7] Tavik C G, Hilterbrick CL, Evins J B, et al. The advanced multifunction RF concept [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3):1009-1020.

[8] Graaf J, Clancy J, Brockett S, et al. Transmit/Receive isolation and ERP measurements of the AMRFC testbed [C]. IEEE conference on Radar, 2006: 565-572.

[9] NRL, Integrated Topside (InTop) Joint Navy-Industry Open Architecture Study, 10-09-2010.

[10] 《外國(guó)海軍武器裝備發(fā)展2013年度報(bào)告》編寫(xiě)組.外國(guó)海軍武器裝備發(fā)展2013年度報(bào)告[M].海軍裝備研究院科技信息研究所,2014.

[11] Larry Schuette. ONR Technology Strategy: Today and Tomorrow for PEO-IWS, 12-13-2011.

[12] 羅軍,李庶中,黃孝鵬.海用雷達(dá)協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展研究[J].先進(jìn)雷達(dá)探測(cè)技術(shù),2013(5).

An overview on development of shipborne phased array technologies of U.S. Navy

WU Xiao-qiang

(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

The development of the shipborne phased array technologies of U.S. Navy is studied and discussed, especially the wideband active electronically scanned phased array technology related to the shipborne radar functions since the 21st century. From the great effort and development route map of the wideband active phased array technologies of U.S. Navy, it can be seen that driven by the wideband phased array antenna, GaN and other wideband high-power solid-state components, and open architecture of universal signal processing, passive detection, cooperative detection and ECM capability have been the development trends of the shipborne phased array radar.

wideband active phased array; AMRFC; InTop; cooperative detection

2014-10-20

吳小強(qiáng)(1971-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)。

TN958.92

A

1009-0401(2014)04-0001-04